Kĩ thuật điện tử - đã được hội đồng môn học của Bộ Giáo dục và Đào tạo thông qua dùng làm tài liệu giảng dạy trong các trường đại học kĩ thuật

Định nghĩa : Tính chất điện của một phần tử bất kì trong một mạch điện được thể hiện qua mối quan hệ tương hỗ giữa diện úp LÍ trên hai đầu của nd va dong điện I chạy qua nó và được định

thi utén eda ching thé

n vui long:

e Không xé sách

se Không gạch, viết, vẽ lên sách

pO XUAN THU (cha bién) - DANG VAN CHUYET - NGUYEN VIET NGUYEN

NGUYEN VU SON- NGUYEN DUC THUAN-NGO LE THUY-NGO VAN TOAN

LOI NOL DAU

Giáo trinh "Ki THUAT DISN TU" do tap thé can bộ khoa "Kĩ

thuột Điện tủ — Từu học" trường dại học Bach khoa Ha Néi bién

soạn để làm tài liệu giảng dạy tà học tập cho sinh Uuiên cóc trường đại học bỉ thuật, bổ túc cho kí sử dã tốt nghiệp cũng như dể tham khảo cho cán bộ các ngành có liên quan Noi dung giáo trình dề cập một cách hệ thống những hiển thúc cơ bản 0à hiện dạt của

ngành KỈ thuật Diện từ Những hiến thức này là cần thiết cho các

ki su va can bộ bỉ thuật hoại động trong diều hiện kí thuật tự động

hóa uờ tin học ngày càng phổ cập

Giáo trình này được chia làm õ chương

Chương I : Giới thiệu những khúi niện cơ bản uề các thông số

cia mach điện, vé tin tie, tín hiệu điện, các tính chất tổng quới

của chúng uờ nét tổng quát của uài hệ thông diện tử diển hình Chương này do TS Nguyễn Viết Nguyên biên soạn

Chương 2 : Đề cập dén ki thuật xử li cae tin hiệu tương tu,

các cấu kiện dụng cu điện từ có hiệu ứng chỉnh luu va khuéch dai,

các nạch điện cơ bản sử dụng chung voi muc dích gia công, xử lí tín hiệu theo phương pháp tương tụ Chương này do TS Dé Xuan Thu, ki sư giảng uiên Ngọ Văn Toàn, TS Nguyễn Đức Thuận 0à

7S Nguyễn Viết Nguyên biên soạn

Chương 3 : Dề cập đến cúc uấn đề của kỉ thuật xung — số

Các cấu biện, phần tử sử dụng trong các nạch xung — số Cúc mach va khối chức năng gia công tín hiệu theo phương phớp rời

rạc Chương này do 7T Nguyễn Viết Nguyên Diên soạn

Chương 4 : Đề cập dén ki thuật biển đổi điện áp va dòng điện Các mạch chính lưu oờ nghịch lưu công suất lớn Các khối chúc năng uà các mạch cø bản của hệ thống diều khiển các bộ biến đổi

điện năng Chương này do ki sư, giảng 0uiên Ngô Lệ Thủy biên sogn

Chương 5 : Đề cập đến các uấn đề của hệ thống UL xử li cong nghiép ; So lược uề các khối chite nang va nguyén li xdy dung hé

vi xt li; Vi du ting dung Chuong nay do TS Nguyễn Vũ Sơn va

TS Dang Van Chuyết biên soạn.

Trong quó trình biên soạn chúng tôi dõ cố gỗng thể hiện nội dung mang tinh co bdn va tinh hién dai Cac vén dề dược trình bày ré rang, chinh xde va cé hé thống Tuy nhiên, day là công trình cla tap thé tac giả được biên soạn trong thời gian ngắn dé dap ung

chương trình cải cách đào tạo của Bé Gido duc va Đào tạo, do dé

chốc chắn còn có thiếu sót, chúng tôi mong được sự góp ý của bạn dọc để giáo trình ngày cùng được hoàn thiện Thư từ liên hệ xin

gửi oề dịa chỉ : khoa Điện tử - Viễn thông trường Dai hoc Bach khoa Ha Noi Tel 8692242 - 8692931 Xin chan thành cản: ơn

CAC TAC GIA

Chương 1

MO’ DAU

Kĩ thuật điện tử và tin học là một ngành mũi nhọn mới phát triển Trong một

khoảng thời gian tương đối ngắn, từ khi ra đời tranzito (1948) nó đã có những tiến

bộ nhảy vọt, mang lại nhiều thay đổi lớn và sâu sác trong hầu hết mọi lính vực rất

khác nhau của đời sống, dần trở thành một trong những công cụ quan trọng nhất của

cách mạng kỉ thuật trình độ cao (mà điểm trung tâm là tự động hóa từng phần hoặc hoàn toàn, tin học hóa, phương pháp công nghệ và vật liệu mới)

Để bước đầu làm quen với những vấn đề cơ bản nhất của ngành mang ý nghĩa đại cương, chương này đề cập tới các khái niệm cơ sở nhập môn và giới thiệu cấu trúc với hệ thống điện tử điển hình

1.1 CÁC ĐẠI LƯỢNG CỔ BẢN

1.1.1 Điện áp và dòng điện là hai khái niệm định lượng cơ bản của một mạch điện

Chúng cho phép xác định trạng théi oẽ điện ở những điểm, những bộ phận khác nhau vào những thời điểm khác nhau của mạch điện và do vậy chúng còn được gọi là các

thông số trạng thái cơ bản của một mạch điện

Khái niệm điện áp được rút ra từ khái niệm điện thế trong vật lí, là hiệu số điện

thế giữa hai điểm khác nhau của mạch điện Thường một điểm nào đó của mạch được

chọn làm điểm gốc có điện thế bằng 0 (điểm đất) Khi đó điện thế của mọi điểm khác

trong mạch có giá trị âm hay dương được mang so với điểm gốc và được hiểu là điện

áp tại điểm tương ứng Tổng quát hơn, điện áp giữa bai điểm A và B của mạch (kí

hiệu là Ủ¿¡;) xác định bởi:

Uy = VÀ - Vụ = - Upa

với VÀ và Vị, là điện thế của A và B so với gốc

Khái niệm dòng điện là biểu hiện trạng thái chuyển động của các hạt mang điện trong vật chất do tác động của trường hay do tổn tại một gradien nồng độ hạt theo

không gian Dòng điện trong mạch có chiều chuyển động từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp và do vậy ngược với chiều chuyển động của điện tử

Từ các khái niệm đã nêu trên, cần rút ra mấy nhận xét quan trọng sau

a) Điện áp luôn được đo giữa hai điểm khác nhau của mạch trong khi dòng điện

được xác định chỉ tại một điểm của mạch

b) Để bảo toàn điện tích, tổng các giá trị các dòng điện đi vào một điểm của mạch luôn bang tổng các giá trị dòng điện đi ra khỏi điểm đó (quy fac nut tới dòng điện)

suy ra trên một đoạn mạch chỉ gồm các phần tử nối nối tiếp nhau, dòng điện tại một

5

œ+ Điện áp giữa hai điểm A và B khác nhau của mạch nếu đo theo mọi nhánh bất

kì có điện trở khác không (xem khái niệm nhánh ở 1.1.4) nổi giữa A và B là giông

nhau va bang Uap Nghĩa là điện áp giữa 2 đầu của nhiều phần tử hay nhiều nhánh

nối song song với nhau luôn bảng nhau (Quy tốc 0uòng đối 0ới diện úp!

1.1.2 Tính chất diện của một phần ur)

1 Định nghĩa : Tính chất điện của một phần tử bất kì trong một mạch điện được

thể hiện qua mối quan hệ tương hỗ giữa diện úp LÍ trên hai đầu của nd va dong điện

I chạy qua nó và được định nghỉa là điện trở thay điện trở phức — trở kháng) của

phần tử Nghĩa là khái niệm điện tro gan liền với quá trình biến đổi điện áp thành

dòng điện hoặc ngược lại từ dòng điện thành điện áp

a) Nếu mối quan hệ này là tỉ lệ thuận ta có định luật ôm :

6 đây, R là một hàng số tỉ lệ được gọi là điện trở của phần tử và phân tử tương

ứng được gọi là một điện trỏ thuần

bì Nếu điện áp trên phần tử tỉ lệ với tốc độ biến đổi theo thời gian của dòng điện

trên nó, tức là :

U =Ly (6 day L là một hằng số tỉ lệ) (1-2!

ta có phân tử là một cuộn đây có giá trị điện cảm là L

c¡ Nếu dòng điện trên phần tử tỉ lệ với tốc độ biến đổi theo thời gian của điện áp

trên nở, tức là :

U

ta cố phần tử là một tu điện có giá trị điện dung 1a C

đ) Ngoài các quan hệ đã nêu trên, trong thực tế còn tồn tại nhiều quan hệ tương

hỗ đa dạng và phức tạp giữa điện áp và dòng điện trên một phần tử Các phần tử

này gọi chung là các phần tử không tuyến tính và cố nhiều tính chất đạc biệt Điện

trở của chúng được gọi chung là các điện trở phi tuyến, điển hình nhất là điốt, tranzito,

thiristo và sẽ được để cập tới ở các phần tiếp sau

2 Các tính chết quan trọng của phần từ tuyển tính là :

a) Đặc tuyến Vôn - Ampe (thể hiện quan hệ U()) là một đường thẳng ; điện trở

là một đại lượng có giá trị không thay đổi ở mọi điểm

b) Tuân theo nguyên lí chồng chất Túe động tổng cộng bằng tổng các tác động

riêng lẻ lên nớ

Đáp ứng tổng cộng (kết quả chung) bằng tổng các kết quả thành phần do tác động

thành phần gây ra

c) Không phát sinh thành phần tần số lạ khi làm việc với tín hiệu xoay chiều

(không gây méo phi tuyến)

(1) Ghỉ chủ : khái niệm phần tử ở dây là tổng quát, đại diện cho một yếu tố cấu thành nịch điện hay mốt

tập hỏi: nhiều Vêu tố táo nên một bộ phan cts mach dién

Doi lap lai, vai phan từ phí tuyển, ta có các tính chất sau

a) Đạc tuyến VÀ là một đường cong tđiện trở thay đổi theo điểm làm việc)

b) Không áp dụng được nguyên lí chồng chất,

c) Luôn phát sính tần số lạ (đầu vào không có) khi cớ tín hiệu xoay chiều tác động

3 Ung dung - Cac phần tử tuyến tính (R, Lý C), có một số ng dụng quan trọng sau

a) Dién trở luôn là thông số đặc trưng cho hiện tượng đê hao nàng lượng (chủ yếu dưới dạng nhiệt! và là một thông số không quán tính, Mức tiêu hao năng lượng của điện trở được đánh giá bằng công suất trên nó, xác định bởi:

đơn vị thời gian) Với tụ điện, từ hệ thức (1.3), dụng kháng của nó giảm khi tảng tần

số và ngược lại với cuộn dây, từ (1-2) cam khang của nó tang theo tấn số

bì Giá trị điện trở tổng cộng của nhiều điện trở nối tiếp nhau luôn lớn hơn của

từng cái và có tính chất cộng tuyến tính Điện dẫn tgiá trị nghịch đảo của điện trở) của nhiều điện trở nối song song nhau luôn lớn hơn điện dẫn riêng rẽ của từng cái

và củng có tính chất cộng tuyến tính

Hệ qua la

*) Co thé thue hién viée chia nhdé một điện ấp (hay dòng điện) hay còn gọi là thực

hiện việc dịch mức điện thế thay mức dòng điện! giữa các điểm khác nhau của mạch bang cách nôi nối tiếp thay song song) các điện trở

*) Trong cách nối nồi tiếp, điện trở nào lớn hơn sẽ quyết định giá trị chung của

dây Ngược lại, trong cách nôi song song, điện trở nào nhỏ hon sẽ quyết định

Việc nối nội tiếp thay song song) các cuộn dây sẽ dẫn tới kết quả tương tự như

đôi với các điện trở : sẽ làm tảng (hay giảm) trị số điện cảm chung Đối với tụ điện,

khi nối song song chúng, điện dung tổng cộng tăng :

Cy, = C, +0, + € SS n (1-5)

còn khi nối nối tiếp, điện dung tổng cộng giảm

WC, = WC, + Cy + + IC, (1-6)

c) Néu néi néi tiép hay song song R vdi L hoac C sé nhan được một kết cấu mạch

có tính chất chọn lọc tần số (trở kháng chung phụ thuộc vào tấn số gọi là các mạch loc tan số!

Nếu nối nối tiếp hay song song L với € sẽ dẫn tới một kết cấu mạch vừa có tính chất chọn lọc tần sổ, vừa có khả năng thực hiện quá trình trao đổi qua lại giữa hai dạng nàng lượng điện - từ trường, tức là kết cấu có khả nàng phát sinh dao động điện áp hay dòng điện nếu ban đầu được một nguồn nàng lượng ngoài kích thích, (vấn

dé nay sé gap ở mục 2.4)

1.1.3 Nguồn điện áp và nguồn đồng điện

a) Nếu một phần tử tự nó hay khi chịu các tác động không có bản chất điện từ

có khả năng tạo ra điện áp hay dòng điện ở một điểm nào đố của mạch điện thi nó được gọi là một nguồn súc điện động (s.đ.đ) Hai thông số đặc trưng cho một nguồn s.đ.đ là :

e Giá trị điện áp giữa hai đầu lúc hở mạch (khi không nối với bất kì một phần

tử nào khác từ ngoài đến hai đầu của nó) gọi là điện áp lúc hở mạch của nguồn kí

hiệu là Unm

e Giá trị dòng điện của nguồn đưa ra mạch ngoài lúc mạch ngoài dẫn điện hoàn

toàn : gọi là giá trị dòng điện ngắn mạch của nguồn kí hiệu là Ingm

Một nguồn s.đ.đ được coi là lý tưởng nếu điện áp hay dòng điện do nó cung cấp cho mạch ngoài không phụ thuộc vào tính chất của mạch ngoài (mạch tải)

b) Trên thực tế, với những tải có giá trị khác nhau, điện áp trên hai đầu nguồn

hay dòng điện do nó cung cấp có giá trị khác nhau và phụ thuộc vào tải Điều đó chứng tỏ bên trong nguồn co xảy ra quá trình biến đổi dòng điện cung cấp thành

giảm áp trên chính nớ, nghĩa là tồn tại giá trị điện trở bên trong gọi là điện trở trong

của nguồn kí hiệu là Rng

1 Nếu Rog — 0 thì từ hệ thức (1-8) ta có U => hạ, khí đố nguồn s.d.d là một

nguồn điện áp lý tưởng Nói cách khác một nguồn điện áp càng gần lí tưởng khi điện trở trong Rny, của nó có giá trị càng nhỏ

2 Néu Rng => ©, từ hệ thức (I-9) ta có I > Ïngm, nguồn sđđ khi đó có dạng là

một nguổn dòng điện lí tưởng hay một nguồn dòng điện càng gần lí tưởng khi Rng

của nó càng lớn

3 Một nguồn s.đ.d trên thực tế được coi là một nguồn điện áp hay nguồn dòng điện tùy theo bản chất cấu tạo của nó để giá trị Rny là nhỏ hay lớn Việc đánh giá

Rng tủy thuộc tương quan giữa nó với giá trị điện trở toàn phần của mạch tải nôi tới

hai đầu của nguồn

thức (1-8 và (1-91 PT 9>

Hình TT —a) Hiếu diễn tường dương nguồn điện áp

b} hay nguồn dòng điện,

4 Một bộ phận bất kì của mạch có chứa nguồn, không có liên hệ hỗ cảm với phân còn lại của mạch mà chỉ nối với phần còn lại này ở hai điểm, luôn cố thể thay thế bàng một ngườn tương dương với một điền trở trong là điện trở tương đương của bộ phân mạch đang xót, Trường hợp riêng, nếu bộ phân mạch bao gồm nhiều nguồn điện

áp nối với nhiều điện trở theo một cách bất ki, co 2 dau ra sẻ được thay thé bang chỉ một nguồn điện áp tương đương với một điện trở trong tương đương (dinh li về

nguồn tương đương của Tevơnin)

1.1.4.Biểu diễn mạch điện bằng các kí hiệu và hình vẽ (sơ đồ)

Cơ nhiều cách biểu điễn một mạch điện tử, trong đố đơn giản và thuận lợi hơn cả

là cách biểu diễn bàng sơ đõ gồm tập hợp các kí hiệu quy ước hay kí hiệu tương

đương của các phần tử được nối với nhau theo một cách nào đố (nổi tiếp, song song,

hỗn hợp nối tiếp song song hay phối ghép thích hợp) nhò các đường nổi cố điện trở

bang 0 Khi biểu diễn như vậy, xuất,hiện một vài yếu to hình học cần làm rõ khái

niệm là

e Nhánh (của sơ đồ mạch) là một bộ phận của sơ đố trong đó chỉ bao gồm các phần tử nối nối tiếp nhau, qua nó chỉ có một dòng điện duy nhất

e Nút là một điểm của mạch chung cho từ bà nhánh trở lên,

e Vòng là một phần của mạch bao gồm một số nút và nhánh lập thành một đường kín mà dọc theo nở mỗi nhánh và nút phải và chỉ gập một lần (trừ nút được chọn

làm điểm xuất phát)

e Cay 1A mot phan cua mạch bao gôm toàn bộ số nút và nhánh nối giữa các nút

đó nhưng không tạo nên một vòng kín nào Các nhánh của cây được gọi là nhánh

cây, các nhánh còn lại của mạch không thuộc cây được gọi là bừ cấy

Các yếu tố nêu trên được sử dụng đạc biệt thuận lợi khi cần phân tích tính toán mạch bằng sơ đổ

Người ta còn biểu diễn mạch gọn hơn hàng một sơ đồ gồm nhiều khối có những đường liên hệ với nhau Mỗi khối bao gồm một nhóm các phần tử liên kết với nhau

để cùng thực hiện một nhiệm vụ kí thuật cụ thể được chỉ rõ (nhưng không chỉ ra cụ

thể cách thức liên kết bên trong khối) Đó là cách biểu diễn mạch bằng sơ đồ khối rút gọn, qua đó dễ dàng hình dung tổng quát hoạt động của toàn bộ hệ thống mạch

điện tử

1.2 TIN TỨC VÀ TÍN HIỆU

Tin tức và tín hiệu là hai khái niệm cơ bản của kĩ thuật điện tử tin học, là đôi tượng mà các hệ thống mạch điện tử có chức nang như một công cụ vật chất kĩ thuật

nhằm tạo ra, gia công xử lí hay nơi chung nhằm chuyển đổi giữa các dạng nâng lượng

để giải quyết một mục tiêu kỉ thuật nhất định nào đó

1.2.1 Tìn tức được hiểu là nội dụng chứa đựng bên trong một sự kiện, một biến cô hay một quá trình nào đó tgọi là nguồn tin), Trong hoạt động đa dạng của con người

đa từ lâu hình thành nhu cau trao đổi tín tức theo hai chiều : về không gian biến cỏ xảy ra tại nơi A thì cần nhanh chóng được biết ở những nơi ngoài À và về thời gian biển cỗ xảy ra vào lúc t„ cẩn được lưu giữ lại để có thể biết vào lúc t, + T với khả nang T —> œ,nhú cẩu này đã được thỏa mãn và phát triển đưới nhiều hình thức và bàng mọi phương tiện vật chất phù hợp với trình độ phát triển của xã hội (kí hiệu, tiếng nơi, chữ viết hay bằng các phương tiện tải tin khác nhau) Gần đây, do sự phát

9

Ca sé toan học để đánh giá định lượng các nhận xét trên được trỉnh bày trong các

giáo trình chuyên ngành về lí thuyết thông tin [10.11]

1.2.2 Tín hiệu là khái niêm để mô tả các biểu hiển nát lý của tín tức, Các biểu

hiện này đa dạng và thường được phản chia thành bai nhốớm : có bản chất điện từ

và không có bản chất điện từ Tuy nhiên, đang cuối cùng thường gạp trong các hệ thống điện tử, thể hiện qua thông số trang thái điện áp hay dòng điện, là có bản chất điện từ,

e Có thể coi tín hiệu nói chung (dù dưới dạng nào! là một lượng vật lý hiến thiên

theo thời gian và biểu diễn nó dưới dạng một hàm số hay đồ thị theo thời gian là thích hợp hơn cả

e Nếu biểu thức theo thời gian của một tín hiệu là sử) thỏa mãn điều kiên

Vai moi t va 6 day T la mat hàng sO thi stt) dude goi la mot

gian, Gïa trị nhỏ nhất trong tập 15)

(T} thea man (1-10) goi la chu 4 4L

một gii trị hữu hạn của TP thỏa

man (1-10) thi ta cd stt) lA mét

tín hiện không tuần hoàn

Đao động hình äín thl.2! là

dang đạc trưng nhất của các tín

Hinh 1.2: Vin hiéu hinh sin với các

tham s@ dde wung AL Toa, ip

sit) = Acostot -— pr (1-1)

10

wrong (1-11) A, iw g là các hàng lỡ 14

số và lấn lượt được gọi là biên

độ, tân sô góc và góc pha bàn

đầu của sử) cố các môi liên hệ

cơ bản là biến thiên liên tục

không Hên tục theo thời gian L

(tin hi¢u xung s6 — digital) Theo De Đ Ỳ = " Hinh 1.35 Cac dung ating THƯỜNG SẠP:

đó sé co hai dang mach điện

tử cơ bản làm việc (gia công, xử l0 với từng loại trên

Cac dang tín hiệu vừa nêu trên, nếu cơ biểu thức sử! hay đô thị biểu diễn xúc định được gọi là loại tin hiện xác định rõ ràng Ngoài ra, còn một lớp các tín hiệu

mang tinh ngau nhiên và chỉ xác định được chúng qua các phép lấy mẫu nhiêu lan

và nhờ các quy luật của phân bố xác guất thống kê, được gọi là các tin hiệu ngầu nhiên

1.2.3 Cúc tính chất của tín hiện theo cách biểu dién thời gian

a) D6 dai va trị trung bình của một tín hiệu

Độ dài của tín hiệu là khoảng thời gian tồn tại của nó (từ lúc bát đầu xuất hiện đến lúc mất đi Độ dài mang ý nghĩa lÀ khoảng thời gian mác bận với tín hiệu của

một mạch hay hệ thông điện tử Nếu tín hiệu s(Œ) xuất hiện lúc t„ có độ dài là F thì giá trị trung bình của, s0), ký hiệu là s(t), được xác định bởi

i +t

i,

b) Nâng lượng, công suất va trị hiệu dụng :

Nang lượng E, của tín hiệu st) được xác định bởi :

lóc

&) Đải động của tín hiệu là tỷ số giữa các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của công

suất tức thời của tín hiệu Nếu tính theo đơn vị logarit tdexibeD, dải động được định

thông số này đặc trưng cho khoảng cường độ hay khoảng độ lớn của tín hiệu tác động

lên mạch hoạc hệ thống điện tử

d› Thành phần một chiều va xoay chiều của tín hiệu

Một tín hiệu sử) luôn cố thể phân tích thành hai thành phần một chiều và xoay

chiều sao cho :

e) Cac thanh phan chan va lẻ của tín hiệu

Mot tin hiéu s(t) cing luén co thé phan tich cdch khac thành hai thành phần chẵãn

và lẻ được xác định như sau :

ƒ\ Thùnh phần thục 0à do của tín hiệu hay biểu diễn phức của một tín hiệu

Một tín hiệu stŒ) bất kì có thể biểu diễn tổng quát dưới dạng một số phức :

—>

6 day Re s(t) lA phan thuc va tm s(t) là phần áo của s(t)

Theo định nghĩa, lượng liên hợp phức của s(t) là :

s"(t) = Res(t) — jlms(t) (1-24)

Khi đó các thành phần thực và ảo của s(t) theo (1-23) và (1-24) được xác định bởi :

s(t) = Alm) el rr

= Im { Ae’ an

Voi A = Ae là biên độ phức của s(t)

Gia tri modun cua A bang :

[Ai = Ale| = A(cos2 + sin’tp) = A tức là chính bang biên độ của s(t) biểu diễn ở dang biểu thức (1-11) Nếu s(t) cho dưới dạng biểu thức hàm cos (1-11) thì khí đố ta có các kết quả tương tự hệ thức (1-28) : s(t) = ARe dẻ

= Re | Ae1w J

= Re [ A’ "| (1-29)

quát giữa hai cách biểu diễn phức

của s(t) nhờ coi s(t) như 1 vectd biểu

diễn trên mặt phẳng phức tọa độ

Đecác có chiều dai A (goi là modun

của s(t) và góc nghiêng với trục hoành

suy ra cách tinh modun A va goc

pha ø của s(t) theo Re s(t) va Im s(t)

nhu sau :

Hình 1.1

13

Nếu Sth) =a+t+jbthi A = đa +b

Hệ thông điện tử là một tập hợp các thiết bị điện tử nhằm thực hiện một nhiệm

vụ kỹ thuật nhất định như gia công xử lý tin tức, truyền thông tin dữ liệu, đo lường thông số điều khiến tự chỉnh

Vẻ cấu trúc một hệ thông điện tử cố hai dạng cơ bản : dang hệ kín ở đơ thông

tin được gia công xử lý theo cả hai chiều nhằm đạt tới một điều kiện tối ưu định trước hay hệ hở ở đó thông tin được truyền chỉ theo một hướng từ nguồn tin tới n7i nhân tin

~~} Chon loc ` ¬ > 1 ———* Dai diéu ché co i Gia cong Nhận tin

Minh Li: 36 đố khó he thống thông tin dan dụng

3, Các đạc điểm chủ yếu

a) La dang hé thống hở

bì Bao gồm 2 gua trink co ban

Qua trinh gan tin tite can gtti di vAo mot tai tin tan số cao bàng cách bất dao dong tai tin cố một thông số biến thiên theo quy luật của tin tức gọi là quá tinh

dieu chế tại thiết bị phát

11

Quá trình tách tin tức khỏi tải tỉn để lấy lại nội dung tin tức tần số thấp tại thiết

bị thủ gọi là quá trình dd điêu chế,

c) Ghất lượng và hiệu quả cũng như các đạc điểm của hệ do 3 yếu tô quy định đạc điểm của thiết bị phái đạc điểm của thiết bị thu và môi trường thực hiện quá

trình truyền tin tđịa hình thời tiết nhiêu !

Ba yếu tố này được đảm bảo nâng cao chất lượng một cách riêng rẽ để đạt hiệu

quả thông tín cao, trong đở tại nguồn tín là các điều kiện chủ động, bai yếu tổ còn lại là vếu tổ bị động

d) Các chỉ tiêu quan trọng nhất của hệ

Dang diéu ché (AM, FM analog, digital, Cong suất bức xạ cua thiét bi phat, khoang cách và điều kiện môi trường truyền, độ nhạy và độ chọn lọc của thiết bị thu

1.3.2 Hé đo lường điên từ

Hệ loại này có nhiệm vụ thu thập tín tức dữ liệu về một đối tượng hay quá trình nào đó để đánh giá thông số hoặc trạng thái của chúng

1 Cấu trúc khối

t ị

Hình 1n Sơ đó khói hệ thông đo đường

9 Các đạc điểm cơ bản

a) Là hệ cấu trúc dạng hở

bì Cơ hai phương pháp cơ bản thực hiện qua trinh đo : phương pháp tiếp xúc tthiết

bi dau vào tiếp xúc trực tiếp với đối tượng do là nguồn tin) va phuong pháp không tiếp xúc

Bộ biến đổi đầu vào là quan trọng nhất, có nhiêm vụ biến đổi thông số đại lượng cần đo (thường ở dạng một đai lượng vật lý! về dạng tín hiệu điện tử có tham số tỷ

lệ với đại lượng cần đo (VÍ dụ : áp suất biến đổi thành điện áp, nhiệt độ hoạc độ ẩm

hay vận tốc biến đổi ; thành điện áp hoạc dòng điện )

c) Su can thiệp của bất kỳ thiết bị đo nào vào đối tượng đo dẫn tới hệ quả là đối

tượng đo không còn đứng độc lập và do đó xây ra quá trình mất thông tín tự nhiên dân đến sai số đo

dì Mọi cố gáng nhằm nâng cao độ chính xác của phép do déu lam tang tính phức

tap ; tang chi phi ky thuat va làm xuất hiện các nguyên nhân gây sai số mới và đôi

khi làm giảm độ tín cậy của phép đo

e) Về nguyên tác cố thể thực hiện gia công tin tức đo liên tục theo thời gian (phương pháp analog! hay gia cong vời rạc theo thời gian (phương pháp digHal! Yếu

tố này quy định các đạc điểm kỹ thuật và câu trúc : cụ thể là ở phương phap analog :

đại lượng đo được theo đối liên tục theo thời gian còn ở phương pháp digital đại lượng

đo được lấy mẫu giá trị ở những thời điểm xác định và so với các mức cường đồ

chuẩn xác định Phương pháp digital cho phép tiết kiệm nàng lượng, nang cao độ chính xác và khả nàng phối ghép với các thiết bị xử lý tin tự động

{) Có khả nàng đo nhiều thông số (nhiều kênh) hay đo xa nhờ kết hợp thiết bị do

với một hệ thống thông tin truyền dữ liệu, đo tự động nhờ một chương trình vạch

gản (đo điều khiển bàng up)

1.3.3 Hé tr điều chỉnh

Hệ có nhiệm vụ theo dõi khống chế một hoặc vài thông số của một quá trình sao cho thông số này phải có giá trị nằm trong một giới hạn đã định trước (hoặc ngoài giới hạn này) tức là có nhiệm vụ ổn định thông số (tự động) ở một trị số hay một đải trị số cho trước

| Khôi châp hinh le Khuếch dại _

| sai lệch AT = Ủy - Lich

THhHh L7 ¡Nớ đã khái tổng quát hệ tự động điều CHÍHh nhiệt độ

3, Các đạc điểm chủ yếu

a) Là hệ dạng cấu trúc kin : thông tin truyền theo hai hướng nhờ các mạch phản hồi

bi Thang số cần đo và khống chế được theo dõi liên tục và duy trì ở mức hoặc

giới hạn định sản

Ví dụ : T” (cần theo dõi khống chế) được biến đổi trước tiên thành Uy sau đó, so

sánh Ủy và Ủcn để phát hiên ra dấu và độ lớn của sai lệch CUch tương ứng với mức chuẩn T‹ch được dịnh sản mà đối tượng cần được khống chế ở do)

Sau khi được khuếch đại lượng sai léch Au = U, - ẹn được đưa tới khối chấp hành để điều khiển táng hoặc giảm Tý theo yêu cầu tùy đấu và độ lớn của Au Sẽ có

3 kha nang

eKhi Au = 0, taco Ty, = Ty, (U, = U.,) déi tugng dang ở trạng thái mong muốn, nhánh thông tín ngược không hoạt động

eKhi Au > Ó (Ú, > Uy) Ty > Ty, hé điểu chỉnh làm giảm Ty

— Khi Au < 0 T, < Tạ hệ điều chỉnh làm tang T, quá trình diéu chinh T, chi

c) Dé min (chinh xac) khi diéu chinh phụ thuộc vào

e@ Độ chính xác của quá trình biến đổi từ Tạ, thành Ủy

e@ Độ phân dải của phần tử so sánh (độ nhỏ của Au)

e Do chính xác của quá trình biến đổi Ty thành U,

e Tính chất quán tính của hệ,

œ Có thể điều chỉnh liên tục theo thời gian (analog) hay gián đoạn theo thời gian

miễn sao đạt được giá trị trung bỉnh mong đợi

16

Phương pháp digital cho phép, tiết kiệm nang lượng của hệ và ghép nôi với hệ thông tự động tính toán

e) Chú ý răng thông thường nếu chọn một ngưỡng ch, ta nhận được kết quả là

hệ điều khiển có hành động hay không tùy theo Ux dang lớn hơn hay nhỏ hơn Uch (và do đơ tham số vật lý cẩn theo dõi đang lớn hơn hay nhỏ hơn giá trị ngưỡng định sẵn từ trước) Khi chọn được hai mức ngưỡng Uvni và Uchz hé sé hành động mỗi khi

Ux nam lot vào trong khoảng hai giá trị ngưỡng hoặc ngược lại, điều này mang ý nghĩa thực tế hơn của một hệ tự động điều chỉnh còn trường hợp với một mức ngưỡng

hệ mang ý nghia dùng để điều khiển trạng thái (hành viì của đối tượng

HOC AAR TARA

THƯ VIÊN

TRƯỜNG Đại

a& — Cấu trúc 0ùng nàng lượng của chất rắn tính thể

Ta đã biết cấu trúc nang lượng của một nguyên tử đứng cô lập cố dang là các mức

rời rạc Khi đưa các nguyên tử lại gân nhau, do tương tác, các mức này bị suy biến thành những dải gồm nhiều mức sát nhau được gọi là các vùng nàng lượng Đây là

dạng cấu trúc nang lượng điển hình của vật rắn tính thể [2]

Tùy theo tình trạng các mức năng lượng trong một vùng có bị điện tử chiếm chỗ hay không, người ta phân biệt 3 loại vùng nàng lượng khác nhau

e Vùng hóa trị (hay còn gọi là vùng đẩy), trong đó tất cả các mức nàng lượng

đều đã bị chiếm chế, không còn trạng thái (mức) nang lượng tự do

e Vùng dẫn (vùng trống), trong đó các mức năng lượng đều còn bỏ trống hay chỉ

bị chiếm chỗ một phần

e Vùng cấm, trong đó không tốn tại các mức năng lượng nào để điện từ có thể

chiếm chỗ hay xác suất tìm hạt tại đây bang 0

Tuy theo vi tri tương đối giữa 3 loại vùng kể trên, xét theo tính chất dẫn điện của mình, các chất rắn cấu trúc tỉnh thể được chia thành 3ä loại (xét ở Ó K) thể hiện trên hình 2.1

Hình 3.1 - Phản loại tật rắn thea cẩn tíc vùng năng lưng :

hay ede lên fe el’ Ne 4, 3 lẻ 2 oe 7 x ?

ad) Chất cách diện he > les by Chat ban dan dién he < leks) Chat dân diện

Chúng ta đã biết, muốn tạo dòng điện trong vật rắn cần hai quá trình đồng thời :

quá trình tạo ra hạt dẫn tự do nhờ được kích thích năng lượng và quá trình chuyển

động có hướng của các hạt đẫn điện này dưới tác dụng của trường Dưới đây ta xét tới cách dẫn điện của chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) và chất bán dẫn tạp

M8

chất mà điểm khác nhau chủ yếu liên quan tới quá trình sinh (tạo) các hạt tự do trong mạng tỉnh thể

b ~ Chat bán dân thuần

Hai chất bán dân thuần điển hình là Gemanium (Ge) va Silicium (Si) có cấu trúc

vùng nàng lượng dạng hình 2.1b với BE, = 0,72eV va BK, = 1,12eV, thuộc nhóm bốn bảng tuân hoàn Mendeleep Mô hình câu trúc mạng tỉnh thể (1 chiều) của chúng có

dang hình 2.2a véi bản chất là các liên kết ghép đôi điện tử hóa trị vành ngoài Ỏ

0 K chúng là các chất cách điện Khi được một nguồn nang lượng ngoài kích thích, xảy ra hiện tượng ion hóa các nguyên tử nút mạng và sinh từng cạp hạt dẫn tự do :

điện tử bứt khỏi liên kết ghép đôi trở thành hạt tự do và để lại I liên kết bị khuyết

tế trống) Trên đồ thị vùng năng lượng hình 2.2b, điều này tương ứng với sự chuyển điện tử từ ! mức năng lượng trong vùng hóa trị lên Ì mức trong vùng dẫn để Jai 1

mức tự do (trống) trong vùng hơa trị Các cạp hạt dẫn tự do này, đưới tác dụng của

1 trường ngoài hay một Građien nống độ có khả náng dịch chuyển có hướng trong

mạng tính thể tạo nên dòng điện trong chất bán dẫn thuần

Kết quả là : 1) Muốn tạo hạt dân tự do trong.chất bán dẫn thuần cần có năng lang kích thích đủ lớn E,, 2 By

Hình 23.2 + a) Cấu trúc mạng tính thể một chiều của chất bán dan thuần Si

b) Đồ thị tùng giải tích cơ chế phát sinh từng cặp hat dan ur do

9) Dòng điện trong chất bán dẫn thuần gồm hai thành phần tương đương nhau do

quá trình phát sinh từng cạp hạt dẫn tạo ra (nị = pị [2, 8]

e— Chất bán dẫn tạp chất loại n

Người ta tiến hành pha thêm các nguyên tử thuộc nhốớm 5 bảng Mendeleep vào

mạng tỉnh thế chất bán dẫn nguyên chất nhờ các công nghệ đạc biệt, với nồng độ

khoảng 10! đến 10! nguyên tử/em` Khi đó các nguyên tử tạp chất thừa một điện

tử vành ngoài, liên kết yếu với hạt nhân, dễ dàng bị ion hóa nhờ l1 nguồn năng lượng yếu tạo nên 1 cập ion dương tạp chất - điện tử tự do Ở điều kiện bình thường (25°C) toàn bộ các nguyên tử tạp chất đã bị ion hóa Ngoài ra hiện tượng phát sinh bạt giống như cơ chế của chất bán dẫn thuần vẫn xảy ra như được mô tả trên hình 2.3a, với mức độ yếu hơn Trên đồ thị vùng năng lượng, các mức nãng lượng tạp chất loại này

(gọi là tạp chất loại n hay loại cho điện tử - Donor) phân bố bên trong vùng cấm,

19

Kết quả là trong mạng tỉnh thể tồn tại nhiều ion dương của tạp chất bất động và

dòng điện trong chất bán dẫn loại n gồm hai thành phần không bằng nhau tạo ra :

tử tạp chất bị ion hớa sẽ sinh ra đồng thời l cặp : ion âm tạp chất - lỗ trống tự do Mức năng lượng tạp chất loại p nằm trong vùng cấm sát đỉnh vùng hơa trị Hình 2.3b cho phép giải thích cách sinh hạt dẫn của chất bán dẫn loại này Vậy trong mạng tỉnh thể chất bán dẫn tạp chất loại p tổn tại nhiều ion âm tạp chất cớ tính chất định xứ từng vùng và dòng điện trong chất bán dẫn loại p gồm hai thành phần không tương đương nhau : lỗ trống được gọi là các hạt dẫn đa số, điện tử hạt thiểu số, với các

nồng độ tương ứng là Pp va Np (pp >>np)

e — Vài hiện tượng uột lí thường gặp

Cách sinh hạt dẫn và tạo thành dòng điện trong chất bán dẫn thường liên quan trực tiếp tới các hiện tượng vật lí sau :

Hiện tượng ion hóa nguyên tử (của chất bán dẫn thuần hay của chất bán dẫn tạp chất) là hiện tượng gắn liền với quá trình tạo hạt dẫn tự do hay chuyển đời mức năng lượng của các hạt Rõ ràng số hạt sinh ra bằng số mức năng lượng bị chiếm trong vùng dẫn hay số mức bị trống đi trong vùng hóa trị Kết quả của vật lí thống

kê lượng tử cho phép tính nồng độ các loại hạt này dựa vào hàm thống kê Fermi-Dirac [2, 8] :

n= f N(E)F@)\dE; p= ƒ NŒ)F(B)dE (3-1)

E c EL

“min

với n, p là nồng độ điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hớa trị

E, là mức năng lượng của đáy vùng dẫn,

20

Theo đó người ta xác định được :

n= Nexp (~ pgp ) 5 P= Ny exp ( - KT ) (2-2)

véi N., N, la mat d6 trang thái hiệu dụng trong các vùng tương ứng, Bị; là mức thế

hda học (mức Fermi)

Kết quả phân tích cho phép có các kết luận, chủ yếu sau :

ed trạng thái cân bằng, tích số nồng độ hai loại hat dẫn là một hằng số (trong

E B

nghĩa là việc tảng nồng độ 1 loại hạt này luôn kèm theo việc giảm nồng độ tương

ứng của loại hạt kia

e Trong chất bán dẫn loại n cd n, >> n, >>p, do đó số điện tử tự do luôn bằng

số lượng ion dương tạp chất : nạ = Np: Tương tự, trong chất bán dẫn loại p có

Pp >> nị >> nụ do đó số lễ trống luôn bằng số lượng ion âm tạp chất : p, = Ng~

- Hiện tượng tới hợp của các hạt dẫn

Hiện tượng sinh hạt dẫn phá hủy trạng thái cân bang nhiệt động của hệ hạt (n.p # n?) Khi đó người ta thường quan tâm tới số gia tăng nồng độ của các hạt thiểu số vì chúng cơ vai trò quyết định tới nhiều cơ chế phát sinh dòng điện trong các dụng cụ bán dẫn Hiện tượng tái hợp hạt dẫn là quá trình ngược lại, liên quan tới các chuyển đời điện tử từ mức nàng lượng cao trong vùng dẫn về mức thấp hơn trong vùng hớa trị Hiện tượng tái hợp làm mất đi đồng thời 1 cặp hat đẫn và đưa

hệ hạt về lại l trạng thái cân bằng mới

Khi đó, trong chất bán dẫn loại n, là sự tái hợp của lỗ trống với điện tử trong

điều kiện nồng độ điện tử cao :

+

Ap(t) = Ap(O)exp ( "% ) (2-4)

Ở đây : Ap(t) là mức giảm của lỗ trống theo thời gian

Ap(0) là số lượng lỗ trống lúc t = 0 (có được sau 1 qua trinh sinh hat) r„ là thời gian sống của lỗ trống trong chất bán dẫn loại n (là khoảng thời gian trong đó nồng độ lỗ trống dư giảm đi e lần)

Tương tự, trong chất.bán dẫn loại p có

An() = An(0)exp ( - % ) (2-5)

21

Các thông số Tv, và Tạ quyết định tới các tính chất tan số (tác động nhanh) của các dụng cụ bán dẫn

— Chuyển dộng gia tốc thôi) của hạt dẫn trong diện trường

Dưới tác dụng của điện trường, hat dẩn tự do chuyển động định hướng có gia tốc

tạo nên 1 dòng điện (gọi là dòng trôi) với vận tốc trung bình tỈ lệ với cường độ i của trường :

Vịnh = “0B

Trong đố „, „ là các hệ số tỉ lệ gọi là độ linh động của các hạt dẫn tương ứng

(với chất bán dẫn tạp chất chế tạo từ Ge có #n = 3800 cm Vs My = 1800 em “Va,

hay dòng trôi toàn phần lưới = le + Tai,

- Chuyén déng khuéch tan ctia các hạt dẫn

Do có sự chênh lệch về nồng độ theo không gian, các hạt dẫn thực hiện chuyển

động khuếch tán từ lớp có nồng độ cao tới lớp có nồng độ thấp Mật độ dòng khuếch tán theo phương giảm của nồng độ cố dạng : {8]

Iktin = —q Dn( Ty ) =q.Dn as (2-9)

Tktp = q.Dụ( ~ % ) =— qDp cac (2-10) với D„ và Da là các hệ số tỉ lệ gọi là hệ số khuếch tán của các hạt tương ứng

Trong do L,, L, là quãng đường khuếch tán của hạt (là khoảng cách trong đó nồng

độ hạt khuếch tán giảm đi e lần theo phương khuếch tán) đó cũng chính là quãng đường trung bình hạt dịch chuyển khuếch tán được trong thời gian sống của nơ 2.1.2 Mặt ghép p—n và tính chỉnh lưu của điết bán dẫn

a - Mặt ghép p—n hh: chưa có điện ap ngoài

Khi cho hai đơn tỉnh thể bán dẫn tạp chất loại n và loại p tiếp xúc công nghệ với nhau, các hiện tượng vật lí xảy ra tại nơi tiếp xúc là cơ sở cho hầu hết các dụng cụ bán dẫn điện hiện đại [2, 8]

22

Hình 3.4 biếu diễn mô hình l¡ tưởng

hóa một mặt ghép pan khi chưa có điện

áp ngoài đạt vào Với giá thiết ở nhiệt

độ phòng các nguyên tử tạp chất da bi ion

hốa hoàn toàn tn„ = Nj Pp = Nà

Các hiện tượng xảy ra tại nơi tiếp xúc

cơ thể mô tả tốm tát như sau

Do có sự chênh lệch lớn về nỏng độ

(ny PN, va Pp >>pạ), tại vùng tiếp xúc

eó hiện tượng khuếch tán các hạt da số

qua nơi tiếp giáp, xuất hiện L dòng điện

khuếch tán lý, hướng từ p sang n Tại

1 ving lan cận l„ hai bên mật tiếp xúc,

xuât hiện một lớp điện tích khối do ion

tạp chất tạo ra, trong đó nghèo hat dan

đa số và có điện trở lớn (hơn nhiều cấp

so với các vùng còn lại, do đó đông

thời xuất hiện l điện trường nội bộ

bướng từ vùng N đớp lon dương Nj}

gang vùng p (lớp ion âm NA) gọi là

điện trường tiếp xúc B, th 24c)

Người ta nối đã xuất hiện I hàng

rào điện thế hay một hiệu thế tiếp xúc

Uu„ Bề dấẩy lớp nghèo l, phụ thuộc vào

nồng độ tạp chất, nếu NA = Nb thì bù

đối xứng qua mật tiếp xúc : lon = laps

thuong Ny 2Np nén lon Slop va phan

chủ yếu nằm bên loại bán dan pha tap

chat it hon (có điện trở suất cao hơn)

Diện trường Ey can trở chuyển động

của dòng khuếch tán và gây ra chuyển

động gia tốc trôi) của các hạt thiểu số

qua miền tiếp xúc, cố chiều ngược lại

với dòng khuếch tán Quá trỉnh này

tiếp điển sẽ dẫn tới I trạng thái can

bằng động : li = ly và không có dòng

điện qua tiếp xúc pn Hiệu thế tiếp

xúc có giá trị xác lập, được xác định bởi

điện tường ngoài

ä) Aó hình cấu túc 1 chiều ;

b} Phán bố nồng độ Hạt theo PHƯƠNG X?

©) Lừng điện tích khối tại lớp nghèo tới loui chuyển tiếp đột ngôu +

dy Higu thể tiếp xúc hắt hàng rào thế

tal nad Hep xc:

c) Af hiệu qui ước diệt bán dân

(2, 8Ì

(2-11)

Với những điều kiện tiêu chuẩn, ở nhiệt độ phòng, Ủu có giá trị khoảng 0,3V với loại tiếp xúc p=n làm từ GŒe và 0,6V với loại làm từ Si, phụ thuộc vào tỉ số nồng độ

hat dẫn cùng loại, vào nhiệt độ với hệ số nhiệt âm (-2mV/K)

b— Mặt ghép p—n khi có diện trường ngoài

Trạng thái cân bằng động nêu trên sẽ bị phá vỡ khi dat tới tiếp xúc pn một điện

trường ngoài Cơ hai trường hợp xáy ra (h 2.5a và bì :

23

Hình 25 : Mặt ghép p—n khi phân cực thuận (a) và phân cực ngược (b)

e Khi điện trường ngoài (ng) ngược chiều với Etx (tức là có cực tính dương đạt

tới p, âm tới n) Khi đó do Eng chủ yếu đặt lên vùng nghèo và xếp chồng với Ex nên cường độ trường tổng cộng tại vùng lọ giảm đi do đó làm tăng chuyển động khuếch tán lạ: † người ta gọi đó là hiện tượng phun hạt đa số qua miền tiếp xúc p_n khi

nó được mở Dòng điện trôi do Exi gây ra gần như giảm không đáng kể do nồng độ hạt thiểu số nhỏ Trường hợp này ứng với hình 2.5a gọi là phân cực thuận cho tiếp ` xúc p-n Khi đó bề rộng vùng nghèo giảm đi so với lọ

Khi Eng cùng chiều với Etx (nguồn ngoài có cực dương đạt tới n, âm đạt tới p), do

tác dụng xếp chồng điện trường tại vùng nghèo, dòng lk: giảm tới không, dòng ly có tăng chút ít và nhanh đến một giá trị bão hòa gọi là dòng điện ngược bão hòa của tiếp xúc p~n Bề rộng vùng nghèo táng lên so với trạng thái cân bằng Người ta gọi

đó là sự phân cực ngược cho tiếp xúc p~-n

Kết quả là mặt ghép p-n khi đặt

trong l điện trường ngoài có tính

chất van : dẫn điện không đối xứng +2 124)

p_n khóa Đây là kết quả trực tiếp

của hiệu ứng điều biến điện trở của

c ~ Đặc tuyến Von~Ampe uờ các

tham số cơ bản của diết bán dẫn

Điốt bán dẫn có cấu tạo là một

chuyển tiếp p-n với hai điện cực nối

ra phía miền p gọi là anôt, phía miền Hinh 2.6 : Đặc tuyến Von—Ampe của diết bán dan

24

n gọi là catôt Nối tiếp điốt bán dẫn với l nguồn điện áp ngoài qua l điện trở hạn

chế đòng, biến đổi cường độ và chiều của điện áp ngoài, người ta thu được đặc tuyến

Von-Ampe của điốt có dạng hinh 2.6 Day la 1 đường cong có dạng phức tạp, chia làm 3 vùng rõ rệt : Vùng (1) ứng với trường hợp phân cực thuận, vùng (2) tương ứng với trường hợp phân cực ngược và vùng (3) được gọi là vùng đánh thủng tiếp xúc p~n Qua việc phân tích đặc tính Von-Ampe giữa lí thuyết và thực tế người ta rút được

các kết luận chủ yếu sau :

- Trong vùng (l) và (2) phương trình mô tả đường cong có dạng (xem [8])

Uy = a goi lA thé nhiét ; 6 T = 300°K véi q = 1,6.10° °C, k = 1,38.10°73 J/K

Uy ed gid xdp xi 25,5mV ; m = (1 + 2) la hệ số hiệu chỉnh giữa lí thuyết và thực

tế

- Tại vùng mở (phân cực thuận) : Ủy và l, có phụ thuộc vào nhiệt độ nên dạng đường cong phụ thuộc vào nhiệt độ với hệ số nhiệt được xác định bởi đạo hàm riêng Uax theo nhiét dé

OUaK aT A I, = const = ag BY K Vv

nghĩa là khi giữ cho dòng điện thuận qua van không đổi, điện áp thuận giảm tỉ lệ theo nhiệt độ với tốc độ -2mV/K

- Tại vùng khóa (phân cực ngược) giá trị dòng bão hòa I, nhỏ (10°!? Ajem? với Si

và 10” A/cm^ véi Ge va phu thuộc mạnh vào nhiệt độ với mức độ +10% giá trị/ °K :

AI, (AT = 10”K) = l( tức là dòng điện ngược tảng gấp đôi khi gia số nhiệt độ tăng 10°C

- Các kết luận vừa nêu đối với Ï và ỦAg chỉ rõ hoạt động của điôt bán dẫn phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và trong thực tế các mạch điện tử có sử dụng tới điết bán

dẫn hoặc tranzito sau này, người ta cần có nhiều biện pháp nghiêm ngặt để duy trì

sự ổn định của chúng khi làm việc, chống (bù) lại các nguyên nhân kể trên do nhiệt

độ gây ra

- Tại vùng đánh thủng (khi Ủy < 0 và có trị số đủ lớn) dòng điện ngược tăng đột ngột trong khi điện áp giữa anốt và katôt không tăng Tính chất van của điốt khi

đó bị phá hoại Tồn tại hai dạng đánh thủng chính :

e Đánh thủng vì nhiệt do tiếp xúc p-n bị nung nóng cục bộ, vì va chạm của hạt

thiểu số được gia tốc trong trường mạnh Điều này dẫn tới quá trình sinh hat 6 at Œon hóa nguyên tử chất bán dẫn thuần, có tính chất thác lũ) làm nhiệt độ nơi tiếp xúc tiếp tục tăng dòng điện ngược tăng đột biến và mặt ghép p-n bi pha hong

25

e Đánh thủng vi điện do hai hiệu ứng : ion hóa do va cham (giữa hạt thiểu số

được gia tốc trong trường mạnh cỡ !10°V/em với nguyên tử của chất bán dẫn thuần thường xảy ra ở các mặt ghép p-n rộng (hiệu ứng Zener) và hiệu ứng xuyên hầm (Tunen! xảy ra ở các tiếp xúc pn hẹp do pha tạp chất với nống độ cao liên quan tới hiện tượng nhảy mức trực tiếp của điện tử hớa trị bên bán dẫn p xuyên qua rào thế tiếp xúc sang vùng dẫn bên bán dẫn n

Khi phân tích hoạt động của điốt trong các mạch điện cụ thể, người ta thường sử

dụng các đại lượng (tham số) đặc trưng cho nó Có hai nhóm tham số chính với một

điết bán dẫn là nhốm các tham số giới hạn đặc trưng cho chế độ làm việc giới hạn

của điốt và nhóm các tham số định mức đặc trưng cho chế độ làm việc thông thường

- Các tham số giới hạn là :

®@ Điện áp ngược cực đại để điốt còn thể hiện tính chất van (chưa bị đánh thủng) :

nu cmax (thường giá trị nxemax chọn khoảng 80% giá trị điện áp đánh thủng Đụ),

e@ Dòng cho phép cực đại qua van lúc mở : Tag:

e Công suất tiêu hao cực đại cho phép trên van để chưa bị hong vi nhiét : Pap

®e Tần số giới hạn của điện áp (dòng điện) dat lén van dé no con có tính chất van

càng chênh lệch nhiều thì tính chất van càng thể hiện rõ

e Điện dung tiếp giáp p_n : lớp điện tích khối l„ tương đương như 1 tụ điện gọi

là điện dung của mặt ghép p~n : Con = Cyr + Cray:

trong đó C,,,, 14 thanh phan điện dung chỉ phụ thuộc vào điện áp ngược (vài phần chục pF) và Ơ,, là thành phần chỉ phụ thuộc vào điện áp thuận (vai pF)

Ở những tần số làm việc cao, người ta phải để ý tới ảnh hưởng của Con Gi các tinh chat cla mach dién Dac biét khi st dung diét ở chế độ khóa điện tử đóng mở với nhịp cao, điết cần một thời gian quá độ để hồi phục lại tính chất van lúc chuyển

từ mở sang khóa Diện áp mở van Ủp là giá trị điện áp thuận đặt lên van tương ứng

để dòng thuận đạt được giá trị 0,11 hay:

Người ta phân loại các điết bán dẫn theo nhiều quan điểm khác nhau :

e Theo đặc điểm cấu tạo có loại điốt tiếp điểm, điốt tiếp mặt, loại vật liệu sử dụng : Ge hay Si

œ Theo tần số giới hạn f„„ có loại điốết tần số cao, điết tần số thấp

26

e Theo công suất pA¿¡ có loại điôt công suất lớn, công suất trung binh hoặc công

suất nhỏ (lA¿y < 300 mÃ)

e Theo nguyên lí hoạt động hay phạm ví ứng dụng có các loại điệt chỉnh lưu, điôt

ổn định điện áp (đit Zener), đit biến dung (Varicap), đit sử dụng hiệu ứng xuyên hầm (đit Tunen)

Chỉ tiết hơn, có thể xem thêm trong các tài liệu chuyên ngành về dụng cụ bán dân điện [1, 8]

ae > - 7 Hình 3.7: Sơ đô tưởng đường của đit Bán dâu Húc mở ta} va

bazơ của điốt hay độ dốc trung

bình của vùng (1) đặc tuyến Von-Ampe Và rạ„„ là độ dốc trung bình của nhánh ngược

2.1.3 Vài ứng dụng điển hình của đit bán dẫn

Trong phần này, chúng ta xét tới một số ứng dụng điển hình của điôt trong các mạch chỉnh lưu, hạn chế biên độ, ổn định điện áp

` Hình 2.8: Các mìạch chỉnh lưu công suất nhỏ thông dụng

a) Mạch chỉnh lưu hai nứa chỉ kì b) Mach chinh leu cần;

c) Mach chinh luu cho dién dp ra đối xứng d) Mạch chính lưu nhân đôi điện áp

27

=

a — Bộ chỉnh lưu công suất nhỏ

Sử dụng tính chất van của điôt bán dẫn, các mạch chỉnh lưu điển hình nhất (công suât nhỏ), được cho trên hình 2.8a, b, c, d

Để đơn giản cho việc phân tích hoạt động và rút ra các kết luận chính với các

mạch trên, chúng ta xét với trường hợp tải của mạch chỉnh lưu là điện trở thuần, sau

đó có lưu ý các đặc điểm khi tải có tính chất điện dung hay điện cảm và với giả thiết các van điôt là lí tưởng, điện áp vào có dạng hình sin phù hợp với thực tế điện áp

mạng 110V/220V xoay chiều, 50 Hz

— Mạch chính lưu hai nửa chu bì : Nhờ biến áp nguồn, điện áp mạng đưa tới sơ cấp được biến đổi thành hai điện áp hình sin U;; và U;; ngược pha nhau trên thứ cấp Tương ứng với nửa chu ki đương (U;, > 0, U¿; < 0) DỊ mở D; khơa Trên R, dòng nhận được có dạng 1 chiều là điện áp nửa hình sin do Ủ;¡ qua Dị mở tạo ra Khi điện áp vào đổi đấu (nửa chu kì âm) Uz, < 0, Uy) > 0) D, khéa Ð; mở và trên

R, nhan duge dong do D, tạo ra, (h.2.9),

® Giá trị trung bình của điện áp trên tải được xác định theo hệ thức (1.13) :

U¿= 7 f V2 Uyinstdot = 2 y, = o9u, 0 (2-15)

e Để đánh giá độ bằng phẳng của Hinh 2.9 : Gidn đồ điện áp của bộ chính lưu 2 nửa

AC CA ge d) Điện áp thứ cấp U,

sóng), được định nghĩa đối với thành phần sóng bậc n :

q¡ = 0,67 (với mạch hai nửa chu kì m = 2)

28

e Diện áp ngược cực đại đặt vào van khóa bằng tổng điện áp cực đại trên 2 cuộn

Trong khoảng thời gian còn lại, các van đều khơa (do điện áp trên tụ đã nạp lớn

hơn giá trị tức thời của điện áp pha tương ứng U;› và U;¡) Lúc đó tụ C phóng điện

và cung cấp điện áp ra trên H,

Các tham số chính của mạch trong trường hợp này có thay đổi, khi đó

(khi chọn hàng số thời gian mạch phóng của tụ z = R,C lớn) còn Unecmax không đổi so với trước đây

e Nếu xét mạch hình 2.8a với từng nửa cuộn thứ cấp biến áp nguồn làm việc với 1

van tương ứng và mạch tải ta có 2 mạch chỉnh lưu một nửa chu kì là dạng sơ đồ đơn

giản nhất của các mạch chỉnh lưu Dựa vào các kết quả đã phân tích trên, dễ dàng suy

ra các tham số của mạch này tuy nhiên chúng chỉ được sử dụng khi các yêu cầu về chất lượng nguồn (hiệu suất năng lượng, chỉ tiêu bằng phẳng của U, ) đòi hỏi thấp

- Mạch chỉnh lưu cầu

Mạch điện nguyên lí của bộ chỉnh

_ lưu cầu cho trên hình 2.8b, trong đó

cầu gồm 4 van điốt đã được kí hiệu thu

gọn : nếu vẽ đầy đủ cầu chỉnh lưu ta

cố hình 2.10

Trong từng nửa chu kÌ của điện áp

thứ cấp Ủạ, một cặp van có anôt dương

nhất và katôt âm nhất mở, cho dòng

một chiều ra R„, cặp van còn lại khóa

.và chịu I điện áp ngược cực đại bằng

biên độ Uạm: Ví dụ ứng với nửa chu kì [inh 2.10: Sa đồ nguyên lÍ bộ chỉnh lưu cầu một phá đương của Ủ¿, cặp van ĐỊÐ; mở, Đ;п khóa Rõ ràng điện áp ngược cực đại đặt lên van lúc khớa có giá trị bằng một nửa so với trường hợp bộ chỉnh lưu bai nửa chu kì

đã xét trên, đây là ưu điểm quan trọng nhất của sơ đồ cầu Ngoài ra, kết cấu thứ cấp của biến áp nguồn đơn giản hơn Các tham số chính của mạch là :

e Điện áp I chiều lúc có tải R,

R, la dién tré tuong duong cua tai R, = TT”

e Công suất danh định của biến áp nguồn

Pha 1,21, (UL, < + 2Up) (2-24)

e Điện áp ngược cực đại trên van khóa :

Unsemax = ÝZU;¿ = (z/2U nge max rao (2-25)

Khi có tải điện dung, mạch làm việc ở chế độ xung liên quan tới thời gian phóng

của tụ C lúc các van đều khóa và thời gian nạp lúc một cặp van mở giống như đã

phân tích với mạch chỉnh lưu hai nửa chu kì Lúc đớ, dòng điện xung qua cặp van

mở nạp cho tụ € là :

Ủ, Tao ~ U ra % U rao

—

có phụ thuộc vào nội trở R, của nguồn xoay chiều và càng lớn khi R, càng nhỏ Điện

áp ra tối thiếu lúc này xác định bởi ;

2

Un, min = U,, oT 3 Ves max (2~27)

trong đó Ủy, mày là điện áp gợn sóng cực đại :

Ussmax = 75.C.f (1 ~ VR/2R, ) (2-28)

Mạch hình 2.8c, cho phép nhân được 1 điện áp ra 2 cực tính đối xứng với điểm

chung, có thể phân tích như hai mạch hình 2.8a làm việc với hai mửa thứ cấp của

biến áp nguồn có điểm giữa nối đất

Mạch hình 2.8d cho phép nhận được điện áp 1 chiều có giá trị gấp đôi điện áp ra

trong các mạch đã xét trên và có tên là mạch chỉnh lưu bội áp Ở nửa chu kì đầu

(nia chu ki 4m) cia U>, van Dị mở nap cho tu C, téi dién ap U,, = Usm = V2U¿

Ở nửa chu kÌ tiếp sau (nửa chủ ki dương) Ð; mở và điện áp nạp cho tụ Ở; có giá

trị đỉnh :

ỦỨc; ~ Uy + Uạm ~ 2U;„ = 2V5U, (2-29)

Nếu để ý các điều kiện thực tế (khi độ lớn của C¡, C¿ hữu hạn) giá trị điện ap 1

chiều sau bộ chỉnh lưu bội áp có độ lớn cỡ hai lần giá trị này ở bộ chỉnh lưu cầu tải

điện dung

Ngoài ứng dụng trong các mạch chỉnh lưu như đã kể trên, điôt còn được sử dụng

trong lĩnh vực chỉnh lưu công suất lớn (xem chương 4)

30

b - Cac mach ghim

Một ứng dụng điển hình khác của điôt bán dẫn là sử dụng trong mạch ghim (mạch han chế biên độ)

Khi Ug 2 0 diot mở và điện áp ra bằng :

R Rtn + Rng

` Ut

với R,, là giá trị trung bình của điện trở thuận điốt, Rug là điện tré trong cia nguén U vao

Khi Ug < 0 điôt khóa điện áp ra bằng :

Ure2 = RE Rage + Rng | Uv + RE Rago + Rng E (2-3)

với Rngclà giá trị trung bình của điện trở ngược điôt

31

Nếu thực hiện diéu kién Ry + Rag KR Rago + Rpg thi

do do : Ura = Uvan Ura2 = E

Diéu kién Uy = 0 xay ra khi U,,, = E nên ngưỡng hạn chế của mạch bàng E

Tức là với mạch hạn chế trên (a) thực hiện điều kiện :

Khi thay đổi giá trị E, ngưỡng hạn chế sẽ thay đổi trong 1 dải rộng từ - Ủvm¿y <

< E < UDvma với U/m„„ là biên độ của điện áp vào

Trường hợp riêng khi chọn E = 0 ta có mạch hạn chế ở mức 0 (mạch ghim lấy 1 cực tính của tín hiệu vào hay mạch chỉnh lưu nửa chu kì đã xét trước)

Cũng có thể mác điốt song song với mạch ra như hình 2.12, lúc đó ta có mạch hạn chế kiểu song song

cua diét thuc thé (loai Si co + 0,6V va

loại Ge cỡ + 0,3V) thì ngưỡng hạn chế của `

các mạch trên bị thay đổi đi 1 giá trị tương Ly

ứng với các mức này

e ¬ Ổn dịnh diện áp bằng diết Zener

Điốt ổn áp làm việc nhờ hiệu ứng đánh

thủng Zener và hiệu ứng đánh thủng thác

lũ của chuyển tiếp p~n khi phân cực ngược

Trong các điêt thông thường hiện tượng

đánh thủng này sẽ làm hỏng điôt, nhưng

trong các đit ổn định, do được chế tạo

đặc biệt và khi làm việc mạch ngoài có

điện trở bạn chế dòng ngược (không cho

phép no tang quá dòng ngược cho phép)

nên điôt luôn làm việc ở chế độ đánh thủng

nhưng không hỏng Khác với điôt thông

dụng, các điôt ổn định công tác ở chế độ

phân cực ngược Những tham sé ki thuật

của điôt Zener là :

- Điện áp ổn định Ủz; (điện áp Zener) là điện áp ngược đặt lên điôt làm phát sinh

ra hiện tượng đánh thủng Trên thực tế đối với mọi điêt ổn áp chỉ có một khoảng rất

hẹp mà nó có thể ổn định được Khoảng này bị giới hạn một mặt bởi khoảng đặc

tuyến của điôt từ phạm vi dòng bão hòa sang phạm vi đánh thủng làm dòng tăng đột ngột, mặt khác bởi công suất tiêu hao cho phép Hay dòng cực đại cho phép

- Điện trở động rg, cia điôt Zener được định nghĩa là độ dốc đặc tuyến tính của

điết tại điểm làm việc:

Căn cứ vào (2-32) có thể thấy rằng độ dốc của đặc tuyến ở phần đánh thủng có tác dụng quyết định đến chất lượng ổn định của điêt Khi điện trở động bằng không (lúc đớ phần đặc tuyến đánh thủng song song với trục tung) thì sự ổn định điện áp đạt tới mức lí tưởng

Như hình 2.13a, để thực biện chức năng ổn định người ta thường mắc nối tiếp với đit Zener một điện trở và tác dụng ổn định được chứng minh bằng đồ thị trên hình 2.13b

Có thể thiết lập quan hệ hàm số giữa điện trở động và điện áp ổn định của điôt

Ví dụ đối với đit Zener 8i, công suất tiêu hao 0,BW có dạng đồ thị như hình 2.13c

Từ đồ thị này thấy điện trở động cực tiểu khi điện áp vào khoảng 6 đến 8V VÌ trong khoáng điện áp này xuất hiện đồng thời hiện tượng đánh thủng Zener và đánh thủng thác lũ làm cho dòng

ngược tăng lên đột ngột

phụ thuộc rất nhiều vào

định nghĩa bằng tỉ số giữa

các biến đổi tương đối của

áp rơi trên điôt do dòng e) Sự phụ thuộc của điện ở động vào

= (dL/1,(dU,/U,) = Rita, = Re/ta, (2-34)

Chúng ta thấy hệ số này chính bằng tỈ số giữa điện trở tính và điện trở động tại điểm công tác của điôt

DE đạt hệ số ổn định cao, với một sự biến đổi dòng điện qua điôt đã cho trước, điện áp rơi trên điệt (do dòng này gây ra) phải biến đổi nhỏ nhất Các điôt ổn định '

Si thường có Z > 100 Trở kháng ra của mạch ổn định cũng là một thông số chủ yếu đánh giá chất lượng của mạch :

- Hệ số nhiệt độ của điện áp ổn định 9, hệ số này cho biết sự biến đổi tương đối của điện áp ổn định khi nhiệt độ thay déi 1°C :

9 =q /U,)(du, / at)| I, = Const (2-35)

Hệ số này xác định bởi hệ số nhiệt độ của điện áp đánh thủng chuyển tiếp p-n

Sự phụ thuộc của điện áp ổn định vào nhiệt độ có dạng

số nhiệt độ âm của Hình 2.14 : Tổ hợp bù nhiệt độ

điôt chỉnh lưu ở gồm 2 điệt mặc nối tiêp nhau, Hình 2.15

nhiệt độ thông thường và hệ số nhiệt của cả tổ hợp có thể đạt đến 0,0005%/°C (h.2.16)

Cần chú ý là hệ số nhiệt độ của điện áp ổn định tại 1 giá trị điện áp nào đó trong khoảng từ ð đến 7V, bằng không Sở di như vậy là vì trong khoảng nhiệt độ này tồn tại cả hai hiện tượng đánh thủng là Zener và thác lũ và hệ số nhiệt của hai hiệu ứng này lại ngược dấu cho nên có chỗ chúng triệt tiêu lẫn nhau Đây là một đặc điểm rất đáng quý, chỉ xuất hiện tại điểm công tác của từng điôt Zener trong khoảng từ 5 dén 7V Trên hinh 2.l5 trình bày đặc tuyến của 3 điôt đo ở hai nhiệt độ khác nhau Những vòng tròn đánh dấu điểm công tác của điốt tại đó hệ số nhiệt bằng không

2.2 PHAN TU HAI MAT GHEP P-N

Nếu trên cùng một đế bán dẫn lần lượt tạo ra hai tiếp giáp công nghệ p-n gần

nhau thì ta được một dụng cụ bán dẫn 3 cực gọi là tranzito bipolar, có khả năng

khuếch đại tín hiệu điện Nguyên lí làm việc của tranzito dựa trên đặc tính điên của

2.2.1 Cấu tạo, nguyên lí làm việc, đặc tuyến và tham số của tranzito bipolar

a) Cấu tạo : Tranzito có cấu tạo gồm các miền bán dẫn p và n xen kẽ nhau, tùy theo

ˆ trình tự sắp xếp các miền P và n mà ta có hai loại cấu trúc điển hình là pnpvà npn như

trên hình 2.16 Để cấu tạo ra các cấu trúc này người ta áp dụng những phương pháp công

Hình 2.16 : M6 hinh If tudéng hoa va kf hiéu cua tranzito pnp (a) va npn (b)

nghệ khác nhau như phương pháp hợp kim, phương

pháp khuếch tán, phương pháp epitaxi

với đặc điểm là có nồng độ tạp chất lớn nhất, điện z e

là miền bazơ với nồng độ tạp chất nhỏ nhất và độ

dày của nó nhỏ cỡ m, điện cực nối với miền này

gọi là cực bazơ Miền còn lại là miền colectơ với nồng

là tiếp giáp emitơ (J;), tiếp giáp pn giữa miền bazơ

và miền colectơ là tiếp giáp colectơ (Jc) Về kí hiệu

mặt cấu trúc, có thể coi tranzito như 2 điôt mắc đối

nhau như hình 2.17 (Điều này hoàn toàn không có nghĩa là cứ mắc 2 điết như hình

2-17 là có thể thực hiện được chức năng của tranzito Bởi vì khi đó không có tác

dụng tương hỗ lẫn nhau của 2 tiếp p_n Hiệu ứng tranzito chỉ xảy ra khi khoảng cách

giữa 2 tiếp giáp nhỏ hơn nhiều so với độ dài khuếch tán của hạt dẫn)

b) Nguyên lí làm việc : Để tranzito làm việc, người ta phải đưa điện áp 1 chiều

tới các điện cực của nó, gọi là phân cực cho tranzito Đối với chế độ khuếch đại thì

Jy: phân cực thuận và Jc phân cực ngược như hình 2-18

Để phân tích nguyên lÍ làm việc ta lấy tranzito pnp làm ví dụ Do dạ phân cực thuận các hạt đa số đỗ trống) từ miền E phun qua jJg tạo nên dòng emitơ (ly) Chúng tới vùng bazơ trở thành hạt thiểu số và tiếp tục khuếch tán sâu vào vùng bazơ hướng tới Jẹ Trên đường khuếch tán một phần nhỏ bị tái hợp với hạt đa số của bazơ tạo

nên dòng điện cực bazơ đg) Do cấu tạo miền bazơ mỏng nên gần như toàn bộ các hạt khuếch tán tới được bờ của Jc và bị trường gia tốc (do Jc phân cực ngược) cuốn

qua tới được miền colectơ tạo nên dòng điện colectơ (Tc) Qua việc phân tích trên rút

ra được hệ thức cơ bản về các dòng điện trong tranzito (hệ thức gần đứng do bỏ qua dòng ngược của dc) :

Để đánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán trong vùng bazơ người ta định nghĩa

hệ số truyền đạt dòng điện œ của tranzito

c) Cách mắc tranzito và tham số ở chế độ tín hiệu nhỏ :

Khi sử dụng về nguyên tắc có thể lấy 2 trong số 3 cực của tranzito là đầu vào và cực thứ 3 còn lại cùng với một cực đầu vào làm đầu ra Như vậy có tất cả 6 cách mắc mạch khác nhau Nhưng dù mắc thế nào cũng cần có một cực chung cho cả đầu vào và đầu ra Trong số 6 cách mắc ấy chỉ có 3 cách là tranzito có thể khuếch đại công suất đó là cách mắc chung emitơ (EC), chung bazơ (BC), chung colectơ (CC) như hình 2.19 Ba cách mắc còn lại không có ứng dụng trong thực tế

Hình 219 : Phương pháp mắc tranzito trong thực tế,

Từ trái sang phải : Chung cmitơ, chung bazơ, chung colectơ

Từ cách mắc được dùng trong thực tế của tranzito

về mặt sơ đồ có thể coi tranzito là một phần tử 4 cực

gần tuyến tính có 2 đầu vào và 2 đầu ra (h.2.20) 4 Ze

trong thực tế tính toán thường dùng nhất là 3 cặp

phương trình tuyến tính sau :

5 > * | Hinh 2.20 : Tranzito nhuw mét mang

điện áp là hàm, các dòng điện là biến cớ dạng sau :

Ủy = fq,,12) =nị.l # nọ 2= mm nạ lị

U, = f(, l2) = rạị l + rạ; l2 = = tạo (r)

Cặp phương trình dẫn nạp có được khi coi các dòng điện là hàm của các biến điện áp :

l = fU,, Ú;) =øị.Ui +øã¿ Uy 8í ga ,Ủi

T, = f(U;, Uz) = gy Uy † g2 Uy - (5, g;›) (u,)

Cặp phương trình hỗn hợp :

U1 = fi, U2) — fii biz) fh

U2 = fd, U2) ~ [hai haz} [U2

trong đó rụ, gj va hạ tương ứng là các tham số trở kháng, dẫn nạp và hỗn hợp của

tranzito

Bằng cách lấy vi phân toàn phần các hệ phương trỉnh trên, ta sẽ xác định được các tham số vi phân tương ứng của tranzito VÍ dụ :

2U2 = cL gọi là điện trở ra vi pha (2-42)

122 = Sp |, = const ˆ tạ; gọi lện trở ra vi phân

= 22 = — = § duge goi là hé dn truyén dat (2-43)

821 = øU¡ | us = const ~ T12 ~ de gợi là nm truyen ea

aly Iz = const

hai = —- | aly U2 = const = B la hé s6 khuéch dai dong dién vi phan (2-45)

Khi xác định đặc tuyến tỉnh (chế độ chưa có tín hiệu đưa tới) của tranzito, dùng

hệ phương trỉnh hỗn hợp là thuận tiện vì khi đó dễ dàng xác định các tham số của

hệ phương trình này

d) Đặc tuyến tĩnh dựa vào các hệ phương trỉnh nêu trên có thể đưa ra các tuyến tính của tranzito khi coi một đại lượng là hàm l biến còn đại lượng thứ 3 coi như một tham số Trong trường hợp tổng quát có 4 họ đặc tuyến tĩnh :

Đặc tuyến truyền đạt lL, = fc) |

U, = const

I, = const Tùy theo cách mắc tranzito mà các quan hệ này có tên gọi cụ thể dòng điện và điện áp khác nhau, ví dụ với kiểu mắc EC : đặc tuyến vào là quan hệ

Bang (2.1) dưới đây cho các phương trình của họ đặc tuyến tương ứng suy ra từ

hệ phương trình hỗn hợp trong các trường hợp mắc mạch BC, ĐC và CC

Bang 2.1 Quan hệ hàm xác định họ đặc tuyến tĩnh của tranzito

Uy= fa) lu, — cong Unp = fp) lu„ Đạp fp) | Une = f(y) lec

U, = £(U2) | I, = const Urp = f(Ucp) | Ip Use = (ce) | Ig Uae = Ure) | Ip

Al, = hy,AI, + hy AU,

dang nhu trén hinh 2.21

Hình 321 : Sơ đồ tương đương mạng 4 cực tuyến tính dựa theo tham số h

Chú ý : đối với các sơ đồ ĐC, BC, CC các đại lượng Ali, AU¿, AI¿, AU; tương ứng với các dòng vào (ra), điện áp vào (ra) của từng cách mắc Ngoài ra còn cớ thể biểu thị sơ đồ tương đương của tranzito theo các tham số vật lí Ví dụ đối với kiểu mắc

BC có sơ đồ hình 2.22

ở đây : - rr là điện trở vi phân của tiếp giáp emitơ và phần chất bán dẫn làm cực E

- ra điện trở khối của vùng bazơ

- rc(g) điện trở vi phân của tiếp giáp colectơ

- Copy dién dung tiếp giáp colectơ

~ alg nguồn dòng tương đương của cực emitơ đưa tới colectơ

38

"Mối Hên hệ giữa các tham số của hai cách biểu diễn trên như sau : Khi AU;

h y a h lì = TT AI -~ [ ‹ rn: + ( 1- a) BÌ T

Minh 2.22 : So dé wong đương tham số vật lí của tranzito trong sơ đồ mắc BC

Với mạch đầu ra : Al, = a.AI, do dé ø = hại khi AI, = 0

2.2.2 Các dạng mắc mạch cơ bản của tranzito

a ~ Mach chung emito (EC)

Trong cách mắc EC, điện áp vào được mắc giữa cực bazơ và cực emitơ, còn điện

áp ra lấy từ cực colectơ và cực emitơ Dòng vào, điện áp vào và dòng điện ra được

đo bằng các miliampe kế và vôn kế mắc như hình 2.23 Từ mạch hình 2.23, có thể

vẽ được các họ đặc tuyến tỉnh quan trọng nhất của mạch ĐC :

Hình 2.23 : Sơ đồ tranzto mắc chung emitơ dùng Hình 224: Họ đặc tuyến vào của tranzito mắc

để xác định các họ đặc tuyến chung emitơ với các giá trị Ủcg khác nhau

39

Để xác định đặc tuyến vào, cần giữ nguyên điện áp UƯẹp, thay đổi trị số điện áp Dạạ ghỉ các trị số l; tương ứng sau đó dựng đồ thị quan hệ này, sẽ thu được kết quả như hình 2.24 Thay đổi Úc đến 1 giá trị cố định khác và làm lại tương tự sẽ được đường cong thứ hai Tiếp tục làm như vậy sẽ có một họ đặc tuyến vào của tranzito mắc chung emitơ

Từ hỉnh 2.24, có nhận xét đặc tuyến vào của tranzito mắc chung emitơ giống như đặc tuyến của chuyển tiếp p-n phân cực thuận, vi dong lạ trong trường hợp này là một phần của dòng tổng l; chảy qua chuyển tiếp emitơ phân cực thuận (h.2.23) Ung với một giá trị Uy, nhất định dòng Ip càng nhỏ khi Ucpg càng lớn vì khi tăng Ứẹg, tức là tăng Ủcn (ở đây các giá trị điện áp là giá trị tuyệt đối) làm cho miền diện tích không gian của chuyển tiếp colectơ rộng ra chủ yếu về phía miền bazơ pha tạp yếu Điện áp Up càng lớn thì tỉ lệ hạt dẫn đến colectơ càng lớn, số hạt dẫn bị tái hợp trong miền bazơ và đến cực bazơ để tạo thành dòng bazơ càng Ít, do đó dòng bazơ nhỏ đi

Để vẽ đặc tuyến ra của tranzito mắc CE, cần giữ đòng Ï¡; ở một trị số cố định nào

đó, thay đổi điện áp Uy và ghi lại giá trị tương ứng của dong lc kết quả vẽ được đường cong sự phụ thuộc của I, vao Ucy ứng với In cho trước Thay đổi lp đến các giá trị cố định khác và làm tương tự như trên sẽ được một họ đặc tuyến biểu thị quan hệ giữa điện áp ra Ứcy với dòng lẹ khỉ coi dòng ls là tham số như hình 2.25

Từ họ đặc tuyến này có nhận xét sau : tại miền khuếch đại độ dốc của đặc tuyến khá lớn vì trong cách mắc này dòng I;„ không giữ cố định Khi tang Ucp dé rong hiéu

dung miên bazơ hẹp lại làm cho hạt dẫn đến colectơ nhiều hơn do

do dong I, tăng lên Khi U¿p giảm xuống 0 th l( cũng giảm xuống

0 (các đặc tuyến đều qua gốc tọa độ) Sở dĩ như vậy vì điện áp ghi trên truc hodnh la Ucg = Ucp + + Up, như vậy tại điểm uốn của đặc tuyến, Up giảm xuống 0, tiếp tuc gidm Uc, sé lam cho chuyển tiếp colectơ phân cực thuận Điện

áp phân cực này đẩy những hạt

M1100 66 6040 20 0 +? -2 -3 -4 -5 -6Y dẫn thiểu số tạo thành dòng colectơ

<=

Hình 225 : Đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt của tranzito mắc chung emito khi Uce = 0 thi le cũng bằng 0

Ngược lại nếu tăng Ưẹp lên quá lớn thÌ dòng l¿ sẽ tăng lên đột

ngột (đường đứt đoạn trên hình 2.25), đó là miền đánh thủng tiếp xúc (điốt) J, cua

tranzito (Tương tự như đặc tuyến ngược của điốt, khi Ucpg tăng quá lớn tức là điện

áp phân cực ngược Up lớn tới một giá trị nào đó, tại chuyển tiếp colectơ sẽ xây ra hiện tượng đánh thủng do hiệu ứng thác lũ và hiệu ứng Zener làm dòng Ic tang dot ngột) Bởi vÌ khi tranzito làm việc ở điện áp Ucg lớn cần cớ biện pháp hạn chế dòng

lẹ đề phòng tranzito bị phá hủy bởi dòng lc quá lớn

Đặc tuyến truyền đạt biểu thị mối quan hệ giữa dòng ra (Ic) và dòng vào lp khi

cy cố định Đặc tuyến này có thể nhận được bằng cách giữ nguyên điện áp ỨGg; thay đổi đòng bazo Ig ghi lai cdc gid tri tương ứng lạ trên trục tọa độ, thay đổi các

“giá trị của Up làm tương tự như trên cớ họ đặc tuyến truyền đạt, cũng có thể suy

ra họ đặc tuyến này từ đặc tuyến ra (h 2.2B) Cách làm như sau : Tại vị trí Uœg